2013电子设计大赛四旋翼自主飞行器_(B1_题)资料

1、2013 年全国大学生电子设计竞赛2013 年 9 月 7 日课题：四旋翼自主飞行器【本科组】（B 题）2为了满足四旋翼飞行器的设计要求，设计了以微控制器为核心的控制系统 和算法。首先进行了各单元电路方案的比较论证，确定了硬件设计方案。四旋翼 飞行器采用了固连在刚性十字架交叉结构上的4 个电机驱动的一种飞行器，以78K0R CPU 內核为基础，围绕新的 RL78 CPU 內核演化而来的 RL78/G13 作为控 制核心，工作频率高达 32MHz，工作电压 1.6V-5.5V，适合各种类型的消费类电 子和工业应用，满足 8/16 位微控制器的需求，有助于降低系统功耗，削减总系统 的构建成本。采用

2、 9926B MOS 管芯片的驱动直流电机，该驱动芯片具有内阻小、负载电流大、且控制简单的特性。通过采用MPU-6050 整合的 3 轴陀螺仪、3轴加速器，并含可藉由第二个 I2C 端口连接其他厂牌之加速器、磁力传感器、或 其他传感器的数位运动处理(DMP: Digital Motion Processor)硬件加速引擎，由 主要 I2C端口以单一数据流的形式，向应用端输出完整的9 轴融合演算技术InvenSense 的运动处理资料库，可处理运动感测的复杂数据，降低了运动处理 运算对操作系统的负荷，实现了四旋翼飞行器运动速度和转向的精准控制。通过HC-SR04 超声波测距模块实现了对四旋翼飞行

3、器飞行高度的准确控制。通过激 光传感器，实现了四旋翼飞行器沿黑线前进，在规定区域起降，投放铁片等功能， 所采用的设计方案先进有效，完全达到了设计要求。关键词：四旋翼自主飞行器，激光，寻线，超声波，单片机III1 系统方案.11.1 XXXX 的论证与选择 .11.2 XXXX 的论证与选择 .11.3 控制系统的论证与选择 . 12 系统理论分析与计算 . 12.1XXXX 的分析.32.1.1 XXX . 32.1.2 XXX . 32.1.3 XXX . 32.2 XXXX 的计算.32.2.1 XXX . 32.2.2 XXX . 32.2.3 XXX . 32.3 XXXX 的计算.3

4、2.3.1 XXX . 42.3.2 XXX . 42.3.3 XXX . 43 电路与程序设计.43.1 电路的设计.43.1.1 系统总体框图.43.1.2 XXXX 子系统框图与电路原理图 .53.1.3 XXXX 子系统框图与电路原理图 .53.1.4 电源.错误！未定义书签。3.2 程序的设计.53.2.1 程序功能描述与设计思路 . 53.2.2 程序流程图.54 测试方案与测试结果 . 64.1 测试方案.64.2 测试条件与仪器.64.3 测试结果及分析 . 64.3.1 测试结果（数据）.64.3.2 测试分析与结论 . 7附录 1:电路原理图. 8附录 2:源程序. 91四

5、旋翼自主飞行器（B 题）【本科组】1 系统方案本系统主要由电源模块、电机驱动模块、光电循迹模块模块、超声波测高模块、姿态传感器模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。1.1 电源模块的论证与选择方案一：采用线性元器件LM7805 三端稳压器构成稳压电路，为单片机等其他模块 供电，输出纹波小，效率低，容易发热。方案二：采用元器件2596 为开关稳压芯片，效率高，输出的纹波大，不容易发热。方案三：采用线性元器件 2940 构成稳压电路，为单片机等其他模块供电，输出纹 波小，效率咼，不容易发热，综合性能咼。综合以上三种方案，选择方案三。12 电机驱动模块的论证与选择方案一：采用三极管驱动，由于输出电

6、流很大，容易发热，方案二：采用 L298N 电机驱动模块，通过电流大，容易发热，使得电机转速变慢， 载重量变小。方案三：采用场效应管 9926B 芯片组成的电机驱动模块，驱动能力好。能承受的 最大电流为 7.5A，符合要求。综合以上三种方案，选择方案三。13 光电循迹模块模块的论证与选择方案一：采用 CCD 摄像头采集图片经过算法处理循迹，前瞻性比较好、循迹效果好, 但是处理程序复杂、成本咼。方案二：采用红外对管，有效距离太短，不能满足实际循迹要求。方案三：采用激光，前瞻性较好、抗干扰性较好。综合以上三种方案，选择方案三。14 超声波测高模块的论证与选择采用 E18-D50NK 光电式传感器，

7、这是一种集发射与接收于一体的光电传感器。检 测距离可以根据要求进行调节。该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小。15 姿态传感器模块的论证概述四轴飞行器属于多旋翼飞行器，各个桨翼之间的旋转过程中总存在着相互干扰，这 就导致在飞行过程中，飞行的稳定性较差；另外在飞行器的电机、桨叶及机身等方面要2求也较高，它要求各个旋翼的电机特性一致、各个桨叶的桨距及安装角度相同、机身对 称等等。然而实际中这些条件很难满足，而且往往相差较大；因此飞行器稳定性差，且 难以控制，在设计控制系统时着重需要考虑飞行器的稳定性设计。这样姿态测量在飞行器系统中就显得尤为必要，设计相应的传感器对飞行器的运动 姿态进行测量，有助

8、于反馈当前姿态，确保飞行稳定。(2)传感器使用设计中选用加速度和角速度两种传感器来进行姿态测量， 用加速度的测量数据来互 补角速度传感器测量的不足；设计中采用 Inven Se nse 公司生产的整合性 6 轴运动处理 组件MPU-6050 ； MPU-6050 为全球首例整合性组件，相比较多组件方案，有如下特点：(a) 免除了组合陀螺仪与加速计时存在的轴差问题，减少了大量的包装空间。(b) MPU-6050 整合了 3 轴角速度和 2 轴加速度传感器，并含可用第二个IIC 端口连接其他厂牌的磁力传感器或其他传感器的数位运动处理(DMP)硬件加速引擎，由主 IIC 接口以单一数据流的形式向应用

9、提供输出完整的9 轴融合演算技术。MPU-6050 被广泛应用于运动感测游戏、光学稳像、行人导航器等设计研究中，且 具备可观的市场前景，其器件特征如下：(a) 内部 3 轴角速度传感器具有土 250、土 500、土 1000 与土 2000( /s)全格测量范围；3 轴加速度量程可程序控制，控制范围为土2g、土 4g、土 8g 和土 16g。(b) 具备较低功耗：芯片供电电压 VDD 为 2.5V 5%、3.0V 5%、3.3V 5%;陀 螺仪工作电流 5mA，待机电流仅 5uA ;加速计工作电流 500uA，在 10Hz 低功耗模 式下仅 40uA。(c) 陀螺仪和加速计都具备 16 位 A

10、DC 同步采样；另外陀螺仪具备增强偏置和温 度稳定的功能，减少了用户校正操作，且具备改进的低频噪声性能；加速计则具备可编程中断和自由降落中断的功能。(d) 接口采用可高达 400kHz 的快速模式 IIC，内建频率发生器在所有温度范围仅 有 1%频率变化。(e) 具备较小的 4mm*4mm 的 QFN 封装，减少占据面积；其 QFN 封装如图 3.4-A 所示，图 3.4-B 为其 3 个轴的极性及旋转图。A芯片対装图3.4 MPU-6O5OCIJJN* * w wKwKwX2-X2-M M L L H S工ZMH *050匡E匡匡叵亘1冋冋冋冋冋冋叵GNDCCKC% DORFrlETRFrl

11、ETAWAWrOGsrOGs芒厂2,2,3(3)传感器电路在实际设计中，微处理器通过IIC 接口读取传感器模块的数据，MPU-6050 模块电路设计如图 3.5 所示：图 3.5 MPU-6050 电路图 3.5 中，IIC 总线 SDA、SCL 连接微处理器的 I/O,相应的电源与地之间需要设计 去耦电容以确保芯片供电稳定；设计中只使用主 IIC 接口，其他的功能引脚设置悬空。2 系统理论分析与计算2.1 XXXX 的分析2.1.1 XXXXXXX2.1.2 XXXXXXX2.1.3 XXXXXXX2.2 XXXX 的计算2.2.1 XXXXXXX2.2.2 XXXXXXX2.2.3 XXX

12、XXXXE3.5 MPU-6050电路2MA上一】匕0音OGVuEj!上AJ*rlricrlric42.3 XXXX 的计算2.3.1 XXXXXXX2.3.2 XXXXXXX2.3.3 XXXXXXX3 电路与程序设计3.1 电路的设计3.1.1 系统总体框图系统总体框图如图 3.1.1 所示:图 3.1.1系统总体框图53.1.2 电源模块电路原理图VCC -JVP13.1.3 电机驱动电路原理图3.2 程序的设计3.2.1 程序功能描述与设计思路系统软件采用 C 语言开发，在 CubSuite+环境下调试并实现功能。程序流程如图 322 所示，进入主程序并初始化后，按键开关按下后开始执行相应的程序。软件程序设计采 用模块化的结构，便于分析和实现功能。2、程序设计思路3.2.2 程序流程图1、主程序流程图2、XXX 子程序流程图63、XXX 子程序流程图4、XXX 子程序流程图4 测试方案与测试结果4.1 测试方案1、硬件测试2、软件仿真测试3、硬件软件联调4.2 测试条件与仪器测试条件：检查多次，运行程序无误，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全 相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。测试仪器：CubSuite+，示波器，数字万用表。4.3 测试结果及分析4.3.1 测试结果（数据）2V 档信号测试结果好下表所示：（单位